添加少量酒精可抑制2D打印油墨中的咖啡环效应

二维晶体的喷墨打印将是引领下一代印刷电子产品的关键。虽然这项技术近年来取得了很大的进步，但对工业规模的印刷电子元件来说，一个主要的挑战是实现晶体的均匀分布；分布不均匀可能会导致器件出现故障。根据“科学进展”杂志的一篇新论文，罪魁祸首是一种被称为咖啡环效应的现象。现在，科学家们发明了一种新的墨水家族，可以抑制这种效应。

咖啡环是当液体蒸发并留下一圈先前溶解的固体时得到的图案-咖啡渣在早上喝一杯Joe的情况下，2D晶体在电子部件的喷墨打印的情况下。(你也可以看到单麦芽苏格兰威士忌的效果。一个相关的现象是酒的眼泪。)。当一种液体蒸发，溶解在液体中的固体(如咖啡渣或2D晶体)形成一个具有说服力的环时，咖啡环效应就会发生。这是因为边缘的蒸发速度比中心快。任何剩余的液体都会向外流到边缘以填补缝隙，将这些固体一起拖走。只要液滴非常小，在溶剂(水或酒精)中的混合就会减少这种影响。大液滴会产生更均匀的污渍。

同样，当一滴水彩颜料干燥时，颜色中的色素颗粒会向外破裂，朝着水滴的边缘。因此，从事水彩工作的艺术家如果不想让边缘积累色素，他们也必须处理咖啡环效应。正如我们在2018年报道的那样，在水彩颜料中加入酒精可以防止这种情况发生。或者，艺术家可以在涂抹油漆之前将纸张弄湿。墨水不会留在纸上，而是会流出。这允许艺术家使用各种效果，例如生成不寻常的颜色渐变。

水滴的形状也是咖啡戒指效应的一个因素。正如我们在2011年报道的那样，研究人员发现，如果粒子是椭圆形而不是球形，这种效果可能会被否定。这样，它们形成松散的堆积结构，当它们被输送到液滴边缘时，可以抵抗毛细管流。当液滴完全蒸发时，这些颗粒的分布更加均匀。颗粒越细长，沉积越均匀，从而提供了一种控制材料分布的方法。

剑桥大学、达勒姆大学和北航的研究人员领导的这项最新研究显示，在电子元件2D打印的墨水中，向墨水混合物中添加适当种类的酒精可以影响液滴形状，抑制咖啡环效应。研究人员使用了石墨烯、碲化铋、二硫化钨、氮化硼和黑磷等材料的2D晶片。然后将晶体分散在单独的异丙醇(IPA)中，以及异丙醇与乙醇、叔丁醇和异丁醇混合的不同样品中。

他们发现，对于IPA、IPA/乙醇和IPA/t-丁醇混合物，咖啡环效应仍然存在。但在IPA/2-丁醇混合物中，这种影响被抑制了，在印刷形状中产生了均匀的厚度。作者认为，IPA中液滴较厚的区域越丰富，因此表面张力就越低。在混合物中添加2-丁醇会导致Marangoni流从较厚的区域流向较薄的区域，从而创建一种自然的负反馈机制，以抑制导致咖啡环状效应的毛细流动，并将液滴像煎饼一样扩散开来。

剑桥大学的合著者塔菲克·哈桑(Tawfique Hasan)说，墨滴的自然形状是球形的，然而，由于它们的组成，我们的墨滴采用的是煎饼形状，这一点是剑桥大学的合著者塔菲克·哈桑(Tawfique Hasan)说的。

该团队已经成功地打印了气体传感器和光电探测器，作为超出当前行业要求的概念证明，他们相信，他们可以在墨水中使用的材料种类繁多，也可以打印出更高效的催化剂、太阳能电池、电池和功能涂层。这种墨水混合物甚至可以打印纳米颗粒和有机分子。而且这个过程是可扩展的：科学家们打印了4500个几乎相同的传感器和光电探测器。这使得它成为廉价、工业化制造电子器件的一种有前途的方法。

剑桥大学和香港中文大学的合著者胡国华说，了解墨滴的这种基本行为使我们能够找到这种理想的解决方案，用于喷墨打印各种二维晶体。我们的配方可以很容易地扩大到在硅晶片或塑料上打印新的电子设备，甚至可以在喷漆和可穿戴设备上打印，已经达到或超过了打印设备的可制造性要求。